一种中红外光谱结合向量夹角定量分析蔗糖-6-乙酸酯的
方法
技术领域
背景技术
[0002] 红外光谱法是最常用的分子定性方法，普遍认为定量能
力有限。由于红外光谱产生原因是由红外区域内分子的振动吸收，因而
能量较弱、光谱的解释性差、
检测限高等缺点，很难做到直接定量分析。近年来随着衰减全反射(Attenuated Total Reflection，ATR)取样普及，逐渐用于定量。中红外ATR定量和基于多元统计的二次定量表明红外光谱是具有定量能力的。
[0003] 红外透射谱区的红外光在样品中的穿透最大可达到30mm，相对于漫反射技术(Diffuse Reflectance Technique)，所获取的光谱信息更加丰富，但因无法避免克里斯坦森(Christiansen，1884)效应存在，且还受到信息
叠加严重的制约，采用传统的KBr压片和涂布法红外
透射光谱技术仍然鲜见定量应用报道。在多元统计方法的帮助下，
近红外通过大量数据积累和建模工作，采用二次测量定量，已经完成了大量应用。
[0004] 姚志湘等前期通过角度度量转化思路，采用空间角讨论和评价多元正和分辨问题的合理性与准确性，解决了PLS中乘性误差对预测结果的干扰，指出光谱方法中光程差不会影响光谱的形状，推而广之，这种固定关系可以引申成为一种新的定量关系。
发明内容
[0005] 为解决上述
现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种中红外光谱结合向量夹角定量分析蔗糖-6-乙酸酯的方法，采用新的近似线性定量方法，通过KBr压片法，采用中红外光谱直接定量三氯蔗糖合成产物。
[0006] 为达到上述目的，本发明的技术方案为：
[0007] 一种中红外光谱结合向量夹角定量分析蔗糖-6-乙酸酯的方法，由如下步骤构成：
[0008] 步骤一，系列样品制备：
[0009] 对照品溶液制备
[0010] 蔗糖对照品溶液制备
[0011] 制备一定浓度的蔗糖对照品溶液，记为溶液1；
[0012] 蔗糖-6-乙酸酯对照品溶液制备
[0013] 制备一定浓度的蔗糖-6-乙酸酯对照品溶液，记为溶液2；
[0014] 混合溶液的制备
[0015] 将溶液1和溶液2按照不同体积混合配制一系列浓度蔗糖—蔗糖-6-乙酸酯的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)混合样品溶液记为E1～E10；
[0016] 取蔗糖-6-乙酸酯的合成过程不同反应时间下的合成液，得到合成液样本；
[0017] 中红外光谱测试样品的制备
[0018] 步骤二、样品的红外光谱采集
[0019] 选择红外透射模式，设置测试参数：光谱采集范围为450～4000cm-1，
分辨率为4cm-1，数据间隔为1cm-1；在该条件下分别采集以上蔗糖-6-乙酸酯合成液、蔗糖-6-乙酸酯的DMF溶液、蔗糖的DMF溶液、DMF、混合溶液样品的红外光谱；
[0021] (1)将蔗糖对照品和蔗糖-6-乙酸酯的混合样品系列E1～E10光谱数据导入数据计算平台，其中以z表示组分蔗糖-6-乙酸酯，Z表示其光谱；q表示除蔗糖-6-乙酸酯以外的背景组分，Q表示归一化的背景组分光谱，ZQ为蔗糖—蔗糖-6-乙酸酯—DMF混合物的光谱；
[0022] (2)对蔗糖-6-乙酸酯对照品和混合样品系列E1～E10光谱进行一阶求导滤波降噪实现基线校正，然后求取差分；
[0023] (3)以蔗糖-6-乙酸酯对照品光谱Z的
波长点数为参考，选取区间宽度的1/15作为窗口移动宽度，窗口从光谱Z最小
波数点开始逐步向最高波数点移动，分别计算光谱Z与混合光谱ZQ的夹角，得到一系列对应窗口下的夹角值θ；对系列夹角值求方差D；
[0024] (4)分别计算组分z在不同浓度Ci下的光谱Zi与混合光谱ZQ的系列夹角θi，对系列夹角值θi求方差Di，根据系列Di值与浓度Ci的线性相关系数图，选择相关系数k最大的移动窗口
位置，作出该窗口位置即相关系数k最大的波段下组分z的不同配比值Ci与系列Di的标准曲线，得出线性拟合方程及R值；
[0025] (5)计算待测样品与z的θ值，对系列夹角θ值求方差D，并带入(3)建立的标准曲线中，实现待测样品中所含蔗糖-6-乙酸酯的定量。
[0026] 进一步的，所述中红外光谱测试样品的制备的方法具体包括：液膜法、溶液法、
薄膜法、涂片法、全反射法、漫反射法、透过法。
[0027] 进一步的，所述涂片法具体为：KBr涂片法的
基础上将涂片样品进行了红外干燥处理再进行红外光谱测试，经改进取得了良好的测量结果，操作步骤为：取一片干燥的KBr片基，以5uL微量进样针分别取5uL蔗糖-6-乙酸酯的合成液、蔗糖-6-乙酸酯的DMF溶液、蔗糖的DMF溶液、DMF液体样品均匀的涂布于KBr片基的两面，即制得所需样品；
[0028] 进一步的，所述涂片法具体改进为：取蔗糖-6-乙酸酯的合成液、蔗糖-6-乙酸酯的DMF溶液、蔗糖的DMF溶液、DMF、混合溶液E1～E10按照4.3.3.1的方法涂布好KBr片基，以尖嘴
镊子夹住制得的样品KBr片，以红外干燥灯和电吹
风的常温风辅助干燥，干燥约1min～2min左右至KBr片基表面基本看不到液体痕迹，即制得所需的样品。
[0029] 进一步的，所述数据处理方法中，区间宽度选择范围具体为4000～1500cm-1。
[0030] 进一步的，所述中移动窗口的宽度选择具体为：依据中红外混合光谱包含的波长点数，选取其1/n作为移动窗口宽度，其中n＞1且n为正整数。
[0031] 相对于现有技术，本发明的有益效果为：
[0032] 本发明基于向量角转化建立的近似线性方法进行定量分析的原理，然后对KBr涂片制样方法进行了改进使之符合本实验测定的要求，改进取得了良好的效果为后续的蔗糖-6-乙酸酯的定量分析打下了良好基础。最后采用中红外透射光谱结合基于空间向量角转化的近似线性方法了实现了对蔗糖—蔗糖-6-乙酸酯二元组分中蔗糖-6-乙酸酯含量的快速测定，所建立的标准曲线线性关系良好，相关系数可达0.995以上，相对均误差小于6％。该定量分析方法操作简单、无需大样本数据建模，成本低廉。为后续蔗糖-6-乙酸酯合成过程中其含量的快速在线提供了重要的方法参考。该方法无需样品预处理、方法简便无需
大数据建模，具有不依赖光谱特征响应、检测限低、适用范围广等特点，对中红外透射光谱分析研究多组分样品具有重要的参考价值。
附图说明
[0033] 图1涂片法制得样品的透射光谱图；
[0034] 图2改进的涂片法样品透射光谱；
[0035] 图3蔗糖—蔗糖-6-乙酸酯混合样品的红外光谱图；
[0036] 图4蔗糖-6-乙酸酯的红外光谱图。
[0037] 图5为本发明
实施例中Z的一阶导数光谱曲线。
[0038] 图6为本发明实施例中c(蔗糖-6-乙酸酯)—角度值标准曲线图。
具体实施方式
[0039] 下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述：
[0040] 一种中红外光谱结合向量夹角定量分析蔗糖-6-乙酸酯的方法，由如下步骤构成：
[0041] 步骤一，系列样品制备：
[0042] 对照品溶液制备
[0043] 蔗糖对照品溶液制备
[0044] 制备一定浓度的蔗糖对照品溶液，记为溶液1；
[0045] 蔗糖-6-乙酸酯对照品溶液制备
[0046] 制备一定浓度的蔗糖-6-乙酸酯对照品溶液，记为溶液2；
[0047] 混合溶液的制备
[0048] 将溶液1和溶液2按照不同体积混合配制一系列浓度蔗糖—蔗糖-6-乙酸酯的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)混合样品溶液记为E1～E10；
[0049] 取蔗糖-6-乙酸酯的合成过程不同反应时间下的合成液，得到合成液样本；
[0050] 中红外光谱测试样品的制备
[0051] 步骤二、样品的红外光谱采集
[0052] 选择红外透射模式，设置测试参数：光谱采集范围为450～4000cm-1，分辨率为4cm-1，数据间隔为1cm-1；在该条件下分别采集以上蔗糖-6-乙酸酯合成液、蔗糖-6-乙酸酯的DMF溶液、蔗糖的DMF溶液、DMF、混合溶液样品的红外光谱；
[0053] 步骤三、数据处理方法
[0054] (1)将蔗糖对照品和蔗糖-6-乙酸酯的混合样品系列E1～E10光谱数据导入数据计算平台，其中以z表示组分蔗糖-6-乙酸酯，Z表示其光谱；q表示除蔗糖-6-乙酸酯以外的背景组分，Q表示归一化的背景组分光谱，ZQ为蔗糖—蔗糖-6-乙酸酯—DMF混合物的光谱；
[0055] (2)对蔗糖-6-乙酸酯对照品和混合样品系列E1～E10光谱进行一阶求导滤波降噪实现基线校正，然后求取差分；
[0056] (3)以蔗糖-6-乙酸酯对照品光谱Z的波长点数为参考，选取区间宽度的1/15作为窗口移动宽度，窗口从光谱Z最小波数点开始逐步向最高波数点移动，分别计算光谱Z与混合光谱ZQ的夹角，得到一系列对应窗口下的夹角值θ；对系列夹角值求方差D；
[0057] (4)分别计算组分z在不同浓度Ci下的光谱Zi与混合光谱ZQ的系列夹角θi，对系列夹角值θi求方差Di，根据系列Di值与浓度Ci的线性相关系数图，选择相关系数k最大的移动窗口位置，作出该窗口位置即相关系数k最大的波段下组分z的不同配比值Ci与系列Di的标准曲线，得出线性拟合方程及R值；
[0058] (5)计算待测样品与z的θ值，对系列夹角θ值求方差D，并带入(3)建立的标准曲线中，实现待测样品中所含蔗糖-6-乙酸酯的定量。
[0059] 进一步的，所述中红外光谱测试样品的制备的方法具体包括：液膜法、溶液法、薄膜法、涂片法、全反射法、漫反射法、透过法。
[0060] 进一步的，所述涂片法具体为：KBr涂片法的基础上将涂片样品进行了红外干燥处理再进行红外光谱测试，经改进取得了良好的测量结果，操作步骤为：取一片干燥的KBr片基，以5uL微量进样针分别取5uL蔗糖-6-乙酸酯的合成液、蔗糖-6-乙酸酯的DMF溶液、蔗糖的DMF溶液、DMF液体样品均匀的涂布于KBr片基的两面，即制得所需样品；
[0061] 进一步的，所述涂片法具体改进为：取蔗糖-6-乙酸酯的合成液、蔗糖-6-乙酸酯的DMF溶液、蔗糖的DMF溶液、DMF、混合溶液E1～E10按照4.3.3.1的方法涂布好KBr片基，以尖嘴镊子夹住制得的样品KBr片，以红外干燥灯和电吹风的常温风辅助干燥，干燥约1min～2min左右至KBr片基表面基本看不到液体痕迹，即制得所需的样品。
[0062] 进一步的，所述数据处理方法中，区间宽度选择范围具体为4000～1500cm-1。
[0063] 进一步的，所述中移动窗口的宽度选择具体为：依据中红外混合光谱包含的波长点数，选取其1/n作为移动窗口宽度，其中n＞1且n为正整数。
[0064] 实验例：
[0066] 微量进样器(5uL，上海激光仪器长)、移液枪(10～100uL，100～1000uL)、Frontier型
傅立叶变换红外光谱仪(美国Perkin Elmer)，Agilent 1200型高效液相色谱仪(美国Agilent公司)，远红外快速干燥箱(WS70-1型)，
电子分析天平(CP214型)。
[0067] 蔗糖(AR)、DMF(AR)、叔丁胺(AR)、蔗糖-6-乙酸酯对照品(纯度95.2％，HPLC测定)、溴化
钾(AR)
[0068] 蔗糖—蔗糖-6-乙酸酯—DMF混合溶液的制备
[0069] 对照品溶液制备
[0070] (1)蔗糖对照品溶液制备
[0071] 以电子分析天平称得蔗糖对照品(AR，99.5％)2.0112g加入小烧杯中，加入适量DMF，70℃以超声至蔗糖溶解。冷却至室温后将其转入到25mL容量瓶中，以DMF定容至25mL，得到含量为80.48mg/mL的蔗糖对照品溶液，记为溶液1。
[0072] (2)蔗糖-6-乙酸酯对照品溶液制备
[0073] 以电子分析天平称得蔗糖-6-乙酸酯对照品(HPLC，纯度95.2％)2.1015g加入小烧杯中，加入适量DMF，30℃下超声至其溶解，冷却至室温后，将其转入到10mL容量瓶中，以DMF定容至10mL，即得含量为200.06mg/mL的蔗糖-6-乙酸酯对照品溶液，记为溶液2。
[0074] 混合溶液的制备
[0075] 将溶液1和溶液2按照下表对应的体积混合配制一系列浓度蔗糖—蔗糖-6-乙酸酯的DMF混合样品溶液。
[0076] 表1 蔗糖—蔗糖-6-乙酸酯的DMF混合溶液
[0077]
[0078] 样品的制备
[0079] 红外光谱测试样品的制样方法的主要根据测试样品的性质来选择，由于测试样品性质的多样性使得红外光谱的制样方法灵活多样，同时红外样品的各种新的制样方法一直在不断发展中，其中液体样品常规的制样方法主要有：液膜法、溶液法、薄膜法、涂膜(片)法、全反射法、漫反射法、透过(射)法等众多方法。
[0080] 本实验例在KBr涂片法的基础上将涂片样品进行了红外干燥处理再进行红外光谱测试，经改进取得了良好的测量结果。(其中固体蔗糖和蔗糖-6-乙酸酯的样品以KBr压片制得)。
[0081] KBr涂片法制样
[0082] 取蔗糖-6-乙酸酯的合成液、蔗糖-6-乙酸酯的DMF溶液、蔗糖的DMF溶液、DMF、混合溶液E1～E10按照上述方法涂布好KBr片基，以尖嘴镊子夹住制得的样品KBr片，以红外干燥灯和电吹风的常温风辅助干燥，干燥约1min～2min左右至KBr片基表面基本看不到液体痕迹，即制得所需的样品。
[0083] 样品的红外光谱采集
[0084] 选择红外透射模式，设置测试参数：光谱采集范围为450～4000cm-1，分辨率为1cm-1，数据间隔为4cm-1,扫描
频率4次/min。在该条件下分别采集以上蔗糖-6-乙酸酯的合成液、蔗糖-6-乙酸酯的DMF溶液、蔗糖的DMF溶液、DMF、混合溶液E1～E10样品红外光谱。相应的红外光谱如图1-4所示：其中，图1涂片法制得样品的透射光谱图；图2改进的涂片法样品透射光谱；图3蔗糖—蔗糖-6-乙酸酯混合样品的红外光谱图；图4蔗糖-6-乙酸酯的红外光谱图。
[0085] 数据处理方法
[0086] (1)将蔗糖-6-乙酸酯对照品和蔗糖—蔗糖-6-乙酸酯的混合样品系列E1～E10光谱数据导入Matlab
软件，其中以z表示组分蔗糖-6-乙酸酯，Z表示其光谱；q表示除蔗糖-6-乙酸酯以外的背景组分，Q表示归一化的背景组分光谱，ZQ为蔗糖—蔗糖-6-乙酸酯—DMF混合物的光谱。
[0087] (2)对蔗糖-6-乙酸酯对照品和蔗糖—蔗糖-6-乙酸酯的混合样品系列E1～E10光谱进行一阶求导滤波降噪实现基线校正，然后求取差分。
[0088] (3)以蔗糖-6-乙酸酯对照品光谱Z的波长点数为参考，选取区间宽度(4000～1500cm-1)的1/15作为窗口移动宽度作为移动窗口值进行运算窗口移动，窗口从光谱Z最小波数点开始逐步向最高波数点移动，分别计算光谱Z与混合光谱ZQ的夹角，得到一系列对应窗口下的夹角值θ，对系列夹角值求方差D。
[0089] (4)分别计算组分z在不同浓度Ci下的光谱Zi与混合光谱ZQ的系列夹角θi，对系列夹角值θi求方差Di，根据系列Di值与浓度Ci的线性相关系数图，选择相关系数k最大的移动窗口位置，作出该窗口位置(也即相关系数k最大的波段)下组分z的不同配比值Ci与系列Di的标准曲线，得出线性拟合方程及R值。
[0090] (5)计算待测样品与z的θ值，对系列夹角θ值求方差D，并带入(4)建立的标准曲线中，实现待测样品中所含蔗糖-6-乙酸酯的定量。
[0091] 结果与分析
[0092] 涂片法与其改进方法制样结果分析
[0093] 从图1看出，以KBr涂片法制得的样品经红外透射测试，样品红外光谱与DMF的红外光谱已能区分。合成液样品在1650cm-1处观察到了蔗糖6元环振动产生的特征吸收峰，在1740cm-1处观察到了蔗糖-6-乙酸酯中羰基的伸缩振动吸收峰，说明KBr涂片法制样基本可行。
[0094] 从图2看出，在尽量除去DMF后蔗糖的DMF溶液样品、蔗糖-6-乙酸酯的DMF溶液样品红外光谱分别与蔗糖、蔗糖-6-乙酸酯的光谱基本相同，已明显消除了DMF所带来的“
溶剂效应”，该制样方法基本符合后续的定量分析的要求。
[0095] 蔗糖—蔗糖-6-乙酸酯混合样品的测试结果分析
[0096] 依照以上数据处理方法，分别对蔗糖-6-乙酸酯光谱Z和系列光谱E1～E10进行一阶求导降噪和求取差分值，在此仅将Z的差分以图5展示如下：
[0097] 从图5可看出Z的最小波数点在1500cm-1左右，最大波数点约为4000cm-1左右，选取该区间宽度(4000～1500cm-1)的1/15作为窗口移动宽度，分别计算E1～E10与蔗糖-6-乙酸酯对照品光谱D00的方差值值Ai。蔗糖-6-乙酸酯的不同含量值Ci与系列方差Ai的关系如表2所示。取其中的E1、E2、E3、E5、E7、E9、E10，计算系列Ai值与标准加入量的线性相关系数r。
得到线性关系：Ci＝-219.3*Ai+299.75，r2＝0.9916。
[0098] 表2 蔗糖—蔗糖-6-乙酸酯混合样品中蔗糖-6-乙酸酯含量与方差值
[0099]
[0100] 以图6所示标准曲线对E4、E6、E8中蔗糖-6-乙酸酯含量进行预测，并进行误差分析得到预测与分析结果如表3所示：
[0101] 表3 蔗糖-6-乙酸酯蔗糖—蔗糖-6-乙酸酯混合样品中蔗糖-6-乙酸酯预测含量与误差分析结果
[0102]
[0103] 通过表3结果可得到该方法在测定双组分待测物含量时，测定结果与高效液相色谱相比较，预测结果较好，相对误差范围在-2.15～5.75％。
[0104] 本实验例主要介绍了一种基于向量角转化建立的近似线性方法进行定量分析的原理，然后对KBr涂片制样方法进行了改进使之符合本实验测定的要求，改进取得了良好的效果为后续的蔗糖-6-乙酸酯的定量分析打下了良好基础。最后采用中红外透射光谱结合基于空间向量角转化的近似线性方法了实现了对蔗糖—蔗糖-6-乙酸酯二元组分中蔗糖-6-乙酸酯含量的快速测定，所建立的标准曲线线性关系良好，相关系数可达0.995以上，相对均误差小于6％。该定量分析方法操作简单、无需大样本数据建模，成本低廉。为后续蔗糖-6-乙酸酯合成过程中其含量的快速在线提供了重要的方法参考。
[0105] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以
权利要求书所限定的保护范围为准。
